M310核電機組循環水系統過程信號傳輸方案研究

龐 偉

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引言

近年來，國內多個核電機組發生海洋生物涌入循環水過濾系統取水口事件，導致電廠冷源喪失或故障，嚴重影響機組安全穩定運行。但循環水取水口往往距離主儀控系統較遠，甚至橫跨電廠生產控制大區和管理信息大區。為保證電力生產控制系統及重要數據安全，需滿足“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”的安全防護總體原則。所以，研究如何將冷源相關系統過程信號安全可靠地送入主儀控系統，對提升核電操縱人員應對冷源事故響應的能力尤為重要。本文即以筆者所在電站為例，分析一種循環水系統過程信號傳輸的可行方案。

1 系統簡介

本項目循環水系統為單元制直流供水系統，其主要功能是為凝汽器和其它輔機冷卻設備提供冷卻水，同時為核島提供安全廠用水。其流程為：引水明渠——隧洞進水構筑物（內有閘門、移動式抓斗清污機、旋轉濾網及其控制系統）——引水隧洞——聯合泵房（內有閘門、鼓型濾網、循環水泵、重要廠用水泵等）——循環水管——凝汽器——循環水溝——虹吸井——排水溝——排水口——大海[1]。

隧洞進水構筑物內設置5個進水通道，后合并為一個引水隧洞。每通道上設置1臺旋轉濾網，2臺機組共10套。每通道上都設置粗格柵，2臺機組共用2臺抓斗清污機，2臺抓斗清污機共用1條單軌，每臺清污機可獨立運行，負責10個進水通道的清污工作，另一個作為備用。2臺機組設1套PLC和上位機控制系統，布置在取水管理站控制室，距離DCS系統所在的電氣廠房約5km。正常通過PLC對旋轉濾網及其沖洗系統和移動式抓斗清污機進行監測、控制和保護。海水取水控制系統按無人值守，運行人員定期巡視進行設計。濾網前后壓差、格柵前后液位、抓斗清污機故障等重要信號需要送入主控室，以便主控操縱員及時發現并響應冷源異常事件。

2 常規信號傳輸方式存在的問題

2.1 直流電壓/電流信號傳輸方式

使用傳統直流電壓/電流方式傳輸，存在長距離信號衰減的問題，以4mA～20mA模擬量信號為例，決定信號有效傳輸距離的參數有：負載電阻RL及連接導線的電阻r，供電電壓U0，波動范圍?U；儀表的最大輸出電流Imax，以及儀表能維持最大工作電流時的最低供電電壓Umin。

假設RL=250Ω，U0=24VDC（允許誤差為電源允許波動?U=24×5%=1.2V，Imax=20mA。儀表最小工作電壓Umin與具體設備選型有關，大多數儀表在15VDC～17VDC之間。這里取16.28VDC，則存在以下關系式：通過計算可得導線電阻r<<76Ω，以截面積1.5mm2的銅質導線為例，溫度75℃時的電阻系數ρ=0.0217Ωmm2/m，根據公式L=S×r/ρ，可以計算得到L應小于5253m。由于一般采用兩線制儀表，那么選用截面積1.5mm2的銅質導線時，能夠保證儀表可靠工作的最遠電纜敷設距離為2626.5m。所以，該方案顯然不滿足本項目的實際需求。

2.2 通訊傳輸方式

由于本項目循環水取水口的信號路徑橫跨電廠生產控制大區和管理信息大區，根據電力二次系統安全防護總體原則，如果采用通訊傳輸方式，則必須增加橫向隔離裝置。而在項目前期橫向隔離裝置已設計固化，新增信號將導致電纜敷設路徑的大量修改，并對已施工的電纜溝造成影響，因此該方案亦不可行。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

表1 信號清單Table 1 Signal list

3 基于遠程I/O技術的信號傳輸方案

遠程I/O是微機技術和網絡通信技術發展結合的產物，采用DCS網絡通信技術及PLC和單回路控制器現場處理控制技術，可應用于計算機監視和分散控制系統。將輸入和輸出模塊移至現場，實現就近采集、就近控制，達到控制系統地理位置上的高度分散[2]。

遠程I/O技術由于具備物理分散性、高可靠性、高精確度、施工費用少等特點，在國內火電廠、石油化工企業得到良好應用。例如，國內某發電廠發電機組自動化改造，DCS采用西屋O-VATION系統，通過遠程I/O采集610點模擬量信號，節省了大量信號電纜、補償導線、電纜橋架等，同時簡化了設計、施工工作，兩臺機組節約費用近200萬元[3]。

本項目設計思路是：通過遠程I/O卡件將海水取水口PLC和主DCS系統的輸入輸出信號轉化為數字通訊信號，再通過光電轉換器實現光纖傳輸。信號進入DCS系統前，再次通過遠程I/O卡件轉化為直流電壓/電流信號。這樣既解決了常規電壓/電流傳輸的信號衰減問題，又能夠滿足信息安全要求。

整個系統由海水取水系統PLC、遠程I/O卡件、光電轉化器、光纖，及DCS I/O卡件組成。遠程I/O卡件設計選用MOXA ioLogik E1200系列，帶2個以太網口，可組建菊花鏈拓撲結構，從而省去以太網交換機，并為后續擴展提供條件。模擬量通道精確度達到±0.1%，開關量通道采用無源干接點形式，MTBF（平均無故障時間）達到888656 h。

根據過程信號和控制設備的重要性，篩選出表1信號清單，傳輸到DCS系統后，能夠保證主控操縱員及時、全面地掌握循環水取水口相關設備的運行狀態，并對異常情況進行干預。

4 結束語

冷源可靠性對于核電站安全穩定運行至關重要，將冷源相關系統的過程信號送到主控室，甚至允許操縱員在緊急情況下遠程控制冷源系統就地設備，是提高應對冷源事故響應能力的有效手段。本文分析比較了幾種信號傳輸方案，其中，基于遠程I/O技術的信號傳輸方案已在本電站成功運用，為后續機組的方案設計提供參考。